譚俊良

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

重型越野汽車輕量化車輪設(shè)計開發(fā)

譚俊良

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

本文根據(jù)鋁合金車輪在重型越野汽車上的工程應(yīng)用，及其加工工藝，設(shè)計了鋁合金車輪的結(jié)構(gòu)型式及特性參數(shù)。并以 ANSYS軟件為工具，對越野汽車車輪進(jìn)行受力分析，詳細(xì)準(zhǔn)確地確定了車輪的受力情況和應(yīng)力分布部位，依托分析結(jié)果對車輪進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到降低車輪關(guān)鍵部位應(yīng)力的目的。并通過實際裝車試驗驗證，結(jié)果顯示該重型越野汽車輕量化車輪產(chǎn)品設(shè)計的合理性、可靠性，解決了車輛輕量化的問題，提高了整車的質(zhì)量利用系數(shù)。

重型越野汽車；鋁合金車輪；有限元分析；結(jié)構(gòu)形式；輕量化

CLC NO.:U463.32Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)06-59-06

引言

汽車的車輪與它支撐的輪胎是汽車的重要部件，其功能為：支撐汽車質(zhì)量并承受路面的垂向反力；對行駛中驅(qū)動或制動的汽車產(chǎn)生并承受路面的縱向反力即驅(qū)動力或制動力；對轉(zhuǎn)彎或受有側(cè)向力行駛的汽車產(chǎn)生并承受路面的側(cè)向反力使汽車沿預(yù)定方向行駛；汽車的整備質(zhì)量、成本和運營費用受其影響也很大。

車輪與輪胎不僅對汽車的行駛性能有重要影響，而且汽車前輪的可靠性對其行駛安全性有最直接的影響。車輪總成還要有一定的剛度和耐疲勞及有足夠的使用壽命，應(yīng)質(zhì)量小，幾何尺寸精確、靜平衡和動平衡好。車輪應(yīng)有足夠的強度（疲勞強度、沖擊強度）、幾何精度（輪輞周長偏差、徑向跳動量、端面跳動量、輪輻安裝面的平面度、車輪定心精度、斷面厚度公差及氣門嘴孔精度）及良好的平衡（指車輪相對于本身的定心基準(zhǔn)的動平衡和靜平衡、不平衡度可用平衡塊校之）。

在乘用車方面輕量化車輪已廣泛應(yīng)用，但對于商用方面輕量化車輪正處在推廣應(yīng)用階段，尤其對于重型越野汽車車輪產(chǎn)品的輕量化車輪才處于開發(fā)、試用階段，由于重型越野汽車車輪產(chǎn)品的尺寸大、質(zhì)量大，每車安裝數(shù)量多，所占整車質(zhì)量比重大，合理對該車輪進(jìn)行輕量化，可有效降低車輛自重，提高整車質(zhì)量利用系數(shù)，提高車輛的綜合性能。

1、重型越野汽車車輪型式選擇

輪輞按其斷面輪廓類型分為深槽輪輞、深槽寬輪輞、半深槽輪輞、平底輪輞、平底寬輪輞、全斜底輪輞和15度深槽輪輞；按其組成的零件數(shù)可分為一件式輪輞和多件式輪輞；按其輪輞結(jié)構(gòu)又可分為整體式輪輞、對開式輪輞和分瓣式輪輞。他們與輪輻組成相應(yīng)型式的車輪；輪輞按其制造材料和工藝又可分為：鋼板滾壓成型輪輞、鑄鋼輪輞、輕合金輪輞等。

1.1 車輪結(jié)構(gòu)形式選擇

重型越野汽車常用的車輪結(jié)構(gòu)形式有：對開式車輪、三件式車輪及兩件式車輪、，其外形分別如圖1-a、1-b、1-c所示。 （1.螺母 2.球形墊圈 3.外輪輞 4.內(nèi)輪輞 5.鎖圈 6.擋圈 7.輪輞 8.彈性擋圈 9.輪輞）

從不同方面對以上三種結(jié)構(gòu)形式的重型越野汽車常用的車輪（本文均以20*10.00標(biāo)準(zhǔn)車輪，和395/85R20輪胎為例分析說明）結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，分析如下表1：

表1

通過以上各方面的綜合分析，得出對開式車輪綜合性能最好，其次為三件式車輪、兩件式車輪，所以首選對開式車輪為重型越野汽車輕量化車輪的結(jié)構(gòu)形式。

1.2 重型越野汽車車輪材料選擇

汽車車輪常用的材料有：鋼板、輕合金等。鋁車輪和鋼車輪相比存在以下優(yōu)點：

(1)散熱好：鋁合金的傳熱系數(shù)比鋼材大三倍。汽車在行駛過程中輪胎與地面以及制動盤與制動片的摩擦?xí)a(chǎn)生出很高熱量，這種情況會導(dǎo)致輪胎和制動片老化以及加速磨損，制動性能會因高溫而急劇衰減，輪胎內(nèi)氣壓也會升高存在爆胎隱患。鋁合金車輪相比鋼制車輪能夠更快地將這些熱量傳導(dǎo)到空氣中，增加了安全系數(shù)。

(2)重量輕：鋁合金車輪的比重小于鋼制車輪，平均每套比同尺寸鋼制車輪輕1/3；更輕的車輪還可減少起步和加速時的阻力。同時更輕的車輪有利于重型越野汽車野外維修及更換車輪總成。對于重型越野汽車來說，車輪體積和重量一般都較大（車輪加輪胎重量往往在200Kg以上），對車輪要求便于在野外人工借助簡單的工具便可更換輪胎。

(3)精度高：鋁合金車輪的精密程度遠(yuǎn)高于鋼制車輪，失圓度及不平衡重較小；另外鋁合金的彈性模數(shù)小，抗振性能優(yōu)于鋼制車輪。這兩項能有效減小車輛振動，駕乘更為舒適。

（4）承載能力高：鍛造鋁合金車輪具有“輕而強”的特性,重量比鋼車輪輕30%；鍛造車輪的承載能量是普通鋼車輪的5倍。

(5)更美觀：鋁合金車輪通過拋光和電鍍工藝可使其能夠制造出更美觀多變的外型；表面抗腐蝕處理以及靜電粉體涂裝也讓其歷久如新。

鋼車輪和鋁合金車輪相比存在以下優(yōu)點：

（1）制造工藝簡單：鋼車輪的輪輻、輪輞通過沖壓或滾卷加工成型，最終通過焊接完成總成，制造設(shè)備通用性好，制造工藝較簡單。鋁合金車輪通過整體鍛壓或鑄造工藝加工成型，所需專用設(shè)備加工，加工工藝復(fù)雜。

（2）成本低：鋼車輪的輪輻、輪輞通過沖壓或滾卷加工成型，最終通過焊接完成總成，制造設(shè)備通用性好，制造工藝較簡單，成本低。鋁合金車輪通過整體鍛壓或鑄造工藝加工成型，需專用設(shè)備加工，加工工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高。

據(jù)了解，在國內(nèi)，鋁合金車輪在乘用車上的應(yīng)用比較普遍，而重型越野車裝配鋁合金車輪的為數(shù)不多，目前大量應(yīng)用鋼質(zhì)車輪。從發(fā)展趨勢來看，鋁合金車輪由于其節(jié)能、安全性能高等特點，將會得到更廣泛的應(yīng)用。綜合以上分析，重型越野汽車車輪材料選擇鋁鎂合金（ 6061-T6高強度鋁合金坯料包括了硅、銅、錳、鎂、鉻、鎳、鋅、鐵和鈦等。T6 是熱處理后的狀態(tài)，具有高強度特性，具有良好的加工性能，以及高抗腐蝕性能）。

1.3 車輪生產(chǎn)工藝選擇

鋁合金車輪有兩種生產(chǎn)工藝，一種鑄造，一種是鍛造。

(1)鑄造車輪的制作工藝：

重力的制造工藝：將鋁錠化成鋁水澆鑄在車輪模型中由上至下沖壓而成，此工藝適合給汽車生產(chǎn)廠配套大批量生產(chǎn)。

叉壓(低壓)的制造工藝：將鋁錠化成鋁水，通過傳送管直接擠壓到車輪模型中，上舉下壓而成。

(2)鍛造車輪的制造工藝：

鍛造：是一種利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機械性能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法，鍛壓(鍛造與沖壓)的兩大組成部分之一。

鍛造同鑄造工藝相比存在以下優(yōu)點：通過鍛造能消除金屬在冶煉過程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷，優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，同時由于保存了完整的金屬流線，鍛件的機械性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。鍛造鋁合金車輪纖維化的晶粒組織使強度更大、散熱更佳 ，所以確定鋁合金車輪加工工藝為鍛造工藝。鋁合金鍛件和鑄件組織結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

2、重型越野汽車鍛造鋁合金車輪設(shè)計

2.1 車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過以上分析重型越野汽車輕量化車輪首選結(jié)構(gòu)為對開式鋁合金無內(nèi)胎車輪。具體設(shè)計工程圖結(jié)構(gòu)如圖4所示：（1. 內(nèi)輪輞 2. 夾緊螺栓 3. “O”形密封圈 4. 外輪輞 5.螺母 6.氣門嘴總成）

為避免車輪上安裝“O”形密封圈的密封槽加工在內(nèi)車輪輻板上，降低車輪的強度，該設(shè)計通過在內(nèi)輪輞輞體與輻板外表面相交的棱角處加工一向內(nèi)的凹槽作為密封槽，與外輪輞內(nèi)部凹角形成密封圈安裝空間，不降低車輪的強度。

為解決內(nèi)、外車輪依靠夾緊螺栓定位，難以保證同軸度，降低車輪動平衡和靜平衡的不足，通過內(nèi)輪輞輻板外表面上突起環(huán)的外圓與外輪輞中心孔進(jìn)行定位，進(jìn)一步提高內(nèi)、外輪輞的定位精度，提高車輪的動平衡和靜平衡。

具體結(jié)構(gòu)如圖4為重型越野汽車對開式鋁合金車輪E-E向視圖，“O”形密封圈3嵌于內(nèi)輪輞1與輻板外表面相交的棱角處加工的一向內(nèi)的凹槽與外輪輞4內(nèi)部凹角形成的密封圈安裝空間內(nèi)，進(jìn)行密封的。通過內(nèi)輪輞1輻板外表面上突起環(huán)的外圓與外輪輞4中心孔進(jìn)行定位，進(jìn)一步提高內(nèi)、外輪輞的定位精。

2.2 車輪加工工藝設(shè)計

根據(jù)對開式鋁合金車輪結(jié)構(gòu)及鋁合金鍛造工藝特點設(shè)計車輪加工工藝如圖5所示：

(1)下料：原材料采用圓柱狀鋁錠，直徑越大的車輪就選用較粗的鋁材去鍛壓，與鑄造鋁車輪使用“原材料”的制造方法愈然不同。

(2)旋轉(zhuǎn)鍛：先將鋁錠加熱至攝氏400上下，此時利用專用設(shè)備對鋁錠進(jìn)行旋壓，將圓柱狀鋁錠鍛壓成餅狀。

(3)初鍛：熱鍛壓成型，使上工序餅狀坯料初步形成車輪輪廓形狀。

(4)終鍛：經(jīng)過進(jìn)一步的熱鍛壓成型，使車輪除胎圈座及輪緣外的其他部分已基本成型。

(5)切邊擴口：對終鍛車輪端部進(jìn)行切邊，并進(jìn)行擴口，為下一步加工作準(zhǔn)備。

(6)旋壓：對車輪端部進(jìn)行旋轉(zhuǎn)滾壓，最終形成胎圈座及輪緣。經(jīng)過以上各工序鍛壓使車輪的鋁合金材質(zhì)變得更加精密，均勻，有韌性，能夠大幅度地增加車輪的強度和抗變形能力。

(7)機加工：經(jīng)過機加工使車輪粗胚形成最終輪廓尺寸、表面精度及安裝孔位，并壓配加緊螺栓。

(8)涂裝：根據(jù)實際使用要求進(jìn)行車輪涂裝，對輪胎裝配表面及“O”形密封圈安裝槽等處可不必進(jìn)行涂裝，同時必須在涂裝前檢查一次輪轂表面是否有瑕疵。

3、重型越野汽車對開式鋁合金車輪有限元分析

3.1 三維模型的建立

根據(jù)對開式鋁合金車輪結(jié)構(gòu)特征，利用Pro/E三維軟件進(jìn)行車輪三維模型建立，車輪爆炸圖如圖6所示（1. 內(nèi)輪輞 2. 夾緊螺栓 3. “O”形密封圈 4. 外輪輞 5.螺母 6.氣門嘴總成）：3.2 前處理及參數(shù)設(shè)置

3.2.1 有限元模型前處理

利用ANSYS提供的Pro/E接口，將對開式鋁合金車輪的幾何模型導(dǎo)入ANSYS中。在導(dǎo)入后，模型的一些幾何信息可能會出錯，如導(dǎo)入曲面數(shù)據(jù)時可能會存在縫隙、重疊、邊界錯位等缺陷，導(dǎo)致單元質(zhì)量不高，求解進(jìn)度差。因此，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分前進(jìn)行了幾何清理。

3.2.2 三維模型的離散化

對模型進(jìn)行質(zhì)量檢查，沒有發(fā)現(xiàn)問題，隨后對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分時，必須盡量保證單元排列整齊，只有這樣才能得到較好的計算結(jié)果，如果網(wǎng)格變形超出一定范圍，計算精度會顯著下降。由于對開式鋁合金車輪為鍛造件，在此處采用6方體網(wǎng)格，能更好的保證計算精度同時有很好的計算速度。

3.2.3 參數(shù)設(shè)置

對開式鋁合金車輪材料為6061-T6高強度鋁合金坯料包括了硅、銅、錳、鎂、鉻、鎳、鋅、鐵和鈦等。 T6 是熱處理后的狀態(tài)，具有高強度特性，具有良好的加工性能，以及高抗腐蝕性能，其參數(shù)如表2所示。

表2 零部件材料相關(guān)參數(shù)

3.3 計算分析與工況設(shè)置

以下是對對開式鋁合金車輪按承載兩倍載荷進(jìn)行ANSYS結(jié)構(gòu)受力分析， Y向載荷施加分析結(jié)果如圖7所示； X向載荷施加分析結(jié)果如圖8所示；輪輻徑向載荷分析結(jié)果如圖9所示：

分析結(jié)果如表3所示：車輪的最大應(yīng)力集中在輪輻與輪輞接合處，計算所得最大應(yīng)力為278.6MPa。最大安全系數(shù)為2，滿足設(shè)計要求。

表3 Ana lysis 分析結(jié)果

4、重型越野汽車對開式鋁合金車輪試制、試驗情況

經(jīng)過對車輪選型、設(shè)計，并通過有限元分析確定車輪結(jié)構(gòu)的合理性,需進(jìn)一步對車輪進(jìn)行工藝及實物驗證。

4.1 試制情況

4.1.1 試制目的

通過聯(lián)合專業(yè)鋁車輪生產(chǎn)廠商進(jìn)行該車輪的試制及工藝過程驗證。該車輪的生產(chǎn)驗證照片如圖10(a為機加工驗證照片、b為涂裝驗證照片)所示：

4.1.2 試制結(jié)果

經(jīng)過生產(chǎn)驗證確認(rèn)該車輪設(shè)計結(jié)構(gòu)便于加工，加工工藝流程合理。

4.2 車輪總成道路試驗

車輪總成道路試驗隨某型號重型越野車定型試驗進(jìn)行，試驗里程為30000 km，試驗里程分配如表4所示：

表4

4.2.1 試驗?zāi)康?/p>

檢驗車輪產(chǎn)品的裝配性能是否良好；檢驗該類產(chǎn)品各項技術(shù)性能及在實際使用中的可靠性；對環(huán)境的適應(yīng)性。

4.2.2 試驗樣品檢驗

主要進(jìn)行產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)的檢驗；產(chǎn)品裝配性能的檢驗；產(chǎn)品可靠性檢驗。

4.2.3 試驗結(jié)果

試驗后結(jié)果滿足SQB11684-2001《斯達(dá)-斯泰爾載貨汽車車輪技術(shù)條件》的要求，車輪總成產(chǎn)品的可靠性合格。試驗后的車輪總成照片如圖11所示：

5、 重型越野汽車對開式鋁合金車輪綜合性能對比

該車輪與重型越野汽車常用的兩種結(jié)構(gòu)同規(guī)格車輪（三件式鋁合金車輪、對開式鋼質(zhì)車輪）總成進(jìn)行對比，如圖12及表5所示：

表5

6、結(jié)論

本文通過對重型越野汽車對開式鋁合金車輪結(jié)構(gòu)、材料及加工工藝方面進(jìn)行分析研究，并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)及加工工藝設(shè)計。進(jìn)一步利用有限元分析，運用ANSYS分析軟件對該車輪進(jìn)行了有限元模型建立，對車輪的受力進(jìn)行了強度分析、優(yōu)化；根據(jù)實際裝車試驗，驗證了產(chǎn)品設(shè)計的合理性、可靠性。該重型越野汽車對開式鋁合金車輪現(xiàn)已在多款重型越野汽車上應(yīng)用，為產(chǎn)品的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

[1] 劉惟信.汽車設(shè)計.清華大學(xué)出版社，2001.

[2] 化學(xué)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編.輪胎·輪輞·氣門嘴/全國輪胎輪輞標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會編.-2版.-北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.6.

[3] 孫靖敏等.機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[4] 譚繼錦.汽車有限元法[M].北京；人民交通出版社，2005.

[5] 余志生.汽車?yán)碚?機械工業(yè)出版社，2004.

Design and Development of Lightweight W heels of Heavy Off-road Vehicle

Tan Junliang
(Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

According to the engineering application of aluminum alloy wheels in the heavy off-road vehicle and their processing technology, the structure type and characteristic parameter of alum inum alloy wheels are designed. By means of ANSYS software, stress analysis is carried out on the wheels of the heavy off-road vehicle. Both stress condition and stress distributions of the wheels are identified precisely. The wheels are optimized relying on the results of the analysis, to reduce the stress of key parts of the wheels. And it is verified through the actual loading test. The results show that the product design of the wheels of the heavy off-road vehicle is reasonable and reliable. The problem of lightweight vehicle is solved, and the quality utilization factor of the vehicle is improved.

Heavy off-road vehicle; Alum inum alloy wheels; Finite element analysis; Structure type; Lightweight

U463.32

A

1671-7988(2014)06-59-06

譚俊良，就職于陜西重型汽車有限公司。